作者：馬麗佳（西湖大學生命科學學院功能基因組學與生物信息學實驗室負責人）

　　　每個人的基因組都是獨一無二的特殊存在，是“我”之所以是“我”，而不是其他任何人的獨特編碼。如果將每個人的基因組都看作一本書，書中的篇章詞句就是大大小小的基因片段，它們講述著生命體從出生、生長發育到死亡的所有故事。當基因片段出現錯誤，人就會生病。過去，能夠無障礙閱讀這本“基因書”就是很了不起的事情了，但今天的科學家們已經可以運用各種技術，去糾正“書”中出現的錯誤。

　　　1、剪除錯誤并插入正確基因片段

　　找到“基因書”中錯誤的片段并將其精準地恢復為正確的片段就是基因“編輯”。CRISPR，是基因編輯技術的一種，相比早前另外兩種基因編輯技術TALEN和ZFN，它更靈活易用，同時具有高精度和低成本等優點。這些優點，得益于兩個關鍵“人物”——gRNA和Cas9。gRNA，也叫向導RNA，顧名思義就像GPS導航。在“基因書”里，向導RNA的職責就是在浩如煙海的基因組“文字”中找到出錯的地方，然后規劃出前進路線；而Cas9，是一種核酸內切酶，它就像剪刀，會沿著向導RNA規劃好的路線抵達出錯地點，然后剪開錯誤的基因片段。這就是為什么很多人稱CRISPR/Cas9基因編輯技術為“基因魔剪”的原因。

　　看到這里，大家也許就會產生一個疑問：剪開錯誤的片段，又怎么把正確的填進去呢？

　　這就有些類似于編輯文章。根據文字出錯方式的不同，使用不同的方法去糾正。如果是有一段錯誤的文字被放到了不該出現的地方，或者雖然只有一兩個錯字，但是刪掉這些錯字和它附近少量的文字反而使句子恢復原意，那就可以直接切掉不需要的文字。這也是目前臨床試驗中最基礎、采用最多的剪切式方案。

　　如果是只有一個字母錯了，可以只將這個字母改回原來正確的樣子，這要用到堿基編輯器。但如果是一小段文字都不見了，那就需要提供一份新的文稿補回去。補的方式也有不同，有一種方式叫作引導編輯，針對某個出錯的基因片段，科學家會讓向導RNA帶一段正確的RNA序列到體內，作為標準答案或模板，當“基因魔剪”把錯誤的基因片段去除后，連在“基因魔剪”上面的分子機器逆轉錄酶會依樣畫葫蘆，照著答案模板抄一份對的DNA放回原位。另一種方式，則是由科學家在體外合成一段正確的DNA，作為正確答案本身，利用細胞自身的同源重組修復機制填入“基因魔剪”切開的位置。

　　因此理論上，只要知道出現錯誤的靶點、正確的答案以及擁有一套編輯工具，數千種由于基因出錯導致的疾病都可以找到治愈的辦法。但從科學理論到臨床實踐，是一個復雜的系統性工程，運送編輯工具進入細胞、找到并抵達發生錯誤的基因片段、切掉和修改錯誤的片段，這三個步驟所涉及的技術都大有講究。要在每一步上都精益求精，才能高效、精準地把出錯的基因編輯好，完成從基因編輯工具到基因編輯藥物的轉變。

　　2、治療遺傳病和癌癥前景可期

　　已經有極少數深受遺傳病困擾的人體驗過“基因魔剪”。

　　例如近期對β-地中海貧血和鐮刀狀貧血癥的基因治療方案。這兩種病都是因為編碼β-珠蛋白的基因出現了變異，造成血紅蛋白減少和貧血。由基因編輯技術發明人、2020年諾貝爾獎化學獎獲得者埃曼紐爾·卡彭蒂耶（Emmanuelle Charpentier）開發了一種“曲線救國”的治療方案：通過使用基因編輯技術降低另一個抑制基因的表達，來恢復γ-珠蛋白的表達，其通常是在胎兒時期才表達的，從而達到恢復紅細胞功能的目的。該方法在臨床上已獲得了初步成效，截至2020年年底已治愈了4名β-地中海貧血和鐮刀狀貧血癥的病患，幫助他們擺脫了長期輸血的負擔和并發癥的困擾。這種療法需要分離患者的造血干細胞，在體外通過電穿孔將基因編輯藥物導入細胞，然后再將造血干細胞植入患者體內進行造血系統重建。類似的方法也可以用于其他造血干細胞相關遺傳疾病的治療。

　　據英國《自然》網站報道，2020年，一名身患萊伯氏先天性黑蒙癥（LCA10）的患者，成為接受CRISPR基因編輯藥物人體直接注射試驗的第一人。先天性黑蒙癥是一種遺傳失明癥，是導致兒童先天性失明的主要原因。該療法通過在視網膜下注射含有基因編輯藥物的腺相關病毒載體，將突變的基因內含子片段切除或使其形成倒位，從而恢復基因的正常表達。后續更多的臨床試驗結果表明該療法對部分患者有積極的效果。

　　基因編輯技術更激動人心的廣泛應用是癌癥治療領域。嵌合型抗原受體T細胞免疫療法（CAR-T）是通過轉基因技術將T細胞改造成針對特定腫瘤的一種新型的殺傷細胞的癌癥治療方法，在白血病、淋巴瘤、骨髓瘤等血液癌癥治療中有良好的療效。傳統CAR-T療法需要分離患者的T細胞，在體外進行轉基因，擴增至治療需要的數量后再輸回患者體內。這是個漫長的過程，有可能錯過治療時機。體弱的幼兒和老年病人也可能沒有足夠的T細胞供分離。現在通過使用CRISPR技術將T細胞中個體識別的基因敲除，可以實現通用型CAR-T細胞供應，縮短治療時間并擴大適用人群。

　　不過這樣的好消息，在目前階段依然是罕見的。從技術到臨床，還有很長的一段路要走。基因編輯技術還有許多值得開發和深化的地方，但是隨著科學家和創新藥物研發工程師的努力，相信在不久的將來，“基因魔剪”會像外科醫生手中的手術刀一樣，精準、快捷和有效地將病灶清除。

　　　3、“導航防護衣”還需更加優化

　　還記得前文說過基因編輯的幾個步驟嗎？科學家和工程師們目前在做的就是“各個擊破”這件事。

　　首先，找到更先進的導航。假設已知某一處基因片段出錯需要通過編輯來修正，實際操作時往往需要在一定的坐標范圍內選擇“一刀切”的下刀位置。如果向導RNA足夠優秀，它就可以規劃出一條最優路線：比如，選擇哪個點下刀，既可以準確切除錯誤片段，又不會誤傷沿途其他的基因；又比如，能夠從極其相似的兩個或幾個目的地中，辨認出真正需要執行編輯任務的那一個。

　　然后，磨出“快刀利刃”，也就是優化出準確度更高、編輯效率更高，體積更小的基因編輯蛋白。這一點比較容易理解：刀鈍，一刀下去拖泥帶水，要么沒切干凈，要么把不該切的也拉扯下來，既不精準也不安全。而如果刀快，一刀下去干脆利落，只切該切的地方，才是基因編輯的理想工具。

　　此時，如果配上一套動力和安全性都上乘的“遞送系統”，就完整了。當導航、手術刀和正確答案都準備就緒，這些執行編輯工作的關鍵“人物”，需要被護送進入人體并直達目的地。而這看似最平平無奇的一步，反而是整個基因編輯系統里相對較難的一部分。假設我們想要編輯肝臟細胞的基因，就需要將向導RNA和基因編輯剪刀“打包”在一個針劑里，然后通過注射的方式輸進人體內。

　　這團復合物從針頭位置開始往肝臟“跑”，如果沒有保護，這些外來物在路上難免會遭到免疫系統的攻擊，很多時候還會去到不想讓它們去的組織器官。此時，可以把“遞送系統”，看作給向導RNA和“基因魔剪”穿上了一件“導航防護衣”。只有當它們抵達執行基因編輯任務的目標細胞時，“防護衣”才會自動脫落，釋放出一整套基因編輯工具。顯然，什么材質適合做這件防護衣，如何避免防護衣提前脫落，這些都是需要優化的技術要點。

　　　4、人工智能加速開發“基因魔剪”

　　在已知的6000多種遺傳病中，目前只有大約幾十種被美國食品藥品管理局批準的藥物，可以對其中一部分疾病進行治療，絕大部分遺傳疾病連有效的治療方案都沒有，治愈更是無從談起。由于CRISPR可以修改DNA序列，因此對主要由基因突變、缺失等造成的遺傳病來說，基因編輯技術可以為患者們帶來一線希望。

　　但僅僅針對某一個疾病基因，去開發一套完整的治療方案，是一項非常大的系統性工程。結合創新研究范式、基因測序高通量數據和人工智能算法，我們團隊正在搭建一個AI助力的基因編輯工具開發平臺，全方位優化CRISPR系統，篩選開發出更多的對癥基因治療方案，同時使這項技術可以更精準、更安全地在人體內發揮作用。

　　就像用不同的導航會有不同的推薦路徑，使用不同的向導RNA編輯同一個基因會有不同的編輯效率和脫靶率，而同樣的CRISPR系統編輯不同的基因，效率有時候也會有巨大的差異。這些差異是由目標基因序列決定的。而從海量的基因序列—編輯效率所對應的數據中，找出潛在規律并用于預測和設計新的向導RNA，正是人工智能所擅長的。這些問題出現在基因編輯三部曲的每一個大小環節。生物數據的產出能力在目前階段是有限的，但是實驗室正在產出龐大的高質量體內數據集合，為構建人工智能模型提供了更為真實可靠的訓練集。將人工智能應用于基因和細胞治療領域，我們需要以數據為核心，開發適用于此應用場景的人工智能算法，對數據深度學習，建立起一套適合于某種疾病的基因治療模擬平臺。

　　依靠現代數據連接和人工智能算法所具有的獨特能力，可以保持生物事件的實時和動態性。由此對非線性功能關系進行建模，可以有效提高模型與過程的匹配度。例如，美國博德研究所（Broad研究所）的David Liu團隊及其他研究人員創建了一種機器學習模型，并已于2018年11月7日在《自然》上發表。該模型可以理解為人工智能，實現了高精度地預測人類和小鼠細胞如何響應CRISPR誘導的DNA斷裂。他們證明即使沒有模板，Cas9編輯也是可預測的，并且能夠精確修復預測的基因型，從而糾正與人類疾病相關的突變。在這些領域，中國的科學家團隊也已經逐漸接近世界最好的水平。

　　這種逐漸興起的科學研究和藥物開發范式，深度結合高通量實驗數據與人工智能模型，通過數據特征的提取和模型的不斷優化，實現從靶點發現、新編輯工具開發、新靶點基因治療策略開發到最終成藥的一體化技術。最終將打通人工智能結合生物學數據進行CRISPR系統開發的全流程，加快遺傳病、癌癥等治療方案的開發速度，讓更多期待被救治的病患，能有機會獲得更有質量的生活。